Les Sciences - programme de cinquième
Physique-chimie, sciences de la vie et de la Terre, technologie
Leçon 16 - Les matériaux et leurs propriétés
D’où ils viennent, ce qu’ils savent faire, comment les choisir
Les matériaux
et leurs propriétés
Prends n’importe quel objet autour de toi : une règle, une casserole, une chaise, une canette. Chacun a été fabriqué dans une matière précise, et ce choix n’a rien d’un hasard. Quelqu’un s’est demandé : faut-il que ce soit léger ? résistant ? bon marché ? facile à recycler ? Puis il a tranché.
Ce cours suit le trajet complet d’un matériau : la roche ou la plante dont il sort, l’usine qui le transforme, les mesures qui décrivent ce qu’il sait faire, et enfin la décision de l’ingénieur qui le retient plutôt qu’un autre. Tu y croiseras un métal jadis plus précieux que l’argent, un chimiste ruiné par sa propre invention, et un acier découvert par accident dans un tas de chutes.
Le chemin que nous allons suivre
- Matière, matériau, objet - où commence vraiment un matériau
- Les quatre grandes familles - métaux, organiques, céramiques, composites
- Les propriétés se mesurent - de l’impression à la grandeur chiffrée
- D’où viennent-ils ? - trois filières, du minerai au métal
- Le cycle de vie - de l’extraction au recyclage
- Choisir - le cahier des charges et ses compromis
Trois mots que l’on confond souvent
Dans la conversation courante, « matière » et « matériau » s’emploient l’un pour l’autre. En technologie, la distinction compte, car elle raconte une histoire : celle du passage de la nature à l’atelier.
La matière première, c’est ce que la Terre fournit : une roche rouge arrachée à une colline, un tronc abattu dans une forêt, un liquide noir pompé à mille mètres sous terre. À ce stade, la matière ne sert encore à rien. Personne ne construit une étagère avec un tronc entier, ni une canette avec un caillou.
Le matériau apparaît quand cette matière a été transformée pour devenir utilisable : le tronc est scié en planches et séché, la roche est traitée jusqu’à livrer un métal, le pétrole est décomposé puis recomposé en granulés de plastique. Le matériau est déjà une réponse à une intention.
L’objet technique, enfin, est ce que la planche, le métal ou le plastique deviennent une fois mis en forme pour remplir une fonction : une étagère, une canette, une bouteille.
Un matériau est une matière transformée par l’être humain en vue d’un usage. Il se caractérise par un ensemble de propriétés mesurables : sa masse pour un volume donné, sa résistance, sa conduction de la chaleur, sa tenue face à l’humidité, sa capacité à être mis en forme.
La matière première est ce qui est extrait ; le matériau est ce qui en est tiré ; l’objet technique est ce qui en est fabriqué.
Entre chacune de ces étapes, il faut des machines, du savoir-faire et surtout de l’énergie. Cette énergie ne se voit pas dans l’objet fini, et pourtant elle explique une bonne partie de son prix. Nous y reviendrons longuement au chapitre 4.
En 1821, le minéralogiste français Pierre Berthier examine une roche rouge trouvée près du village des Baux-de-Provence. Il cherchait du minerai de fer : la couleur rouille l’y encourageait. Analyse faite, la roche contenait surtout de l’alumine, un composé d’aluminium ; la teinte rouge venait d’un peu d’oxyde de fer mélangé.
Berthier avait trouvé autre chose que ce qu’il cherchait. Le minerai porte aujourd’hui le nom du village : la bauxite. Ce sera la matière première de l’aluminium, un métal que personne, en 1821, ne savait encore produire autrement qu’à l’état de traces.
Pourquoi ce choix n’est pas anodin
Choisir un matériau revient à décider ce que l’objet saura faire, combien il coûtera, combien de temps il durera et ce qu’il deviendra une fois usé. Un même objet change de nature selon la matière retenue.
Prenons une règle d’écolier de trente centimètres. En bois, elle est chaleureuse au toucher, se raye vite et se casse net si tu t’assieds dessus. En plastique transparent, elle laisse voir le trait dessous, plie sans rompre, mais se déforme près d’un radiateur. En métal, elle survit à tout, garde un bord net pendant des années, coûte davantage et pèse trois fois plus. Ces trois objets remplissent la même fonction ; elles ne rendent pas le même service.
Prends un stylo à bille ordinaire et démonte-le. Tu y trouveras au moins quatre matériaux différents : un corps en plastique rigide, un ressort en acier, une pointe métallique dure, une encre pâteuse. Quatre choix, quatre raisons.
Le corps doit être léger, transparent ou coloré, et fabriqué par millions à bas prix : le plastique s’impose. Le ressort doit reprendre sa forme des milliers de fois sans se fatiguer : l’acier le fait, le plastique se déforme et abandonne. La bille, elle, roule contre le papier des kilomètres durant : il lui faut une matière très dure, souvent du carbure de tungstène. Un seul objet, quatre cahiers des charges.
Une décision qui a marqué l’histoire
Le 6 décembre 1884, à Washington, une petite pyramide métallique est hissée au sommet d’un obélisque de cent soixante-neuf mètres. Elle mesure environ vingt-trois centimètres de haut, quatorze centimètres de côté à sa base, et pèse cent onces, soit un peu plus de deux kilogrammes et huit cents grammes. Elle est en aluminium.
À cette date, l’aluminium vaut environ un dollar l’once : le prix de l’argent, et l’équivalent d’une journée entière de salaire pour un ouvrier du chantier. Avant d’être installée, la pièce fut exposée dans la vitrine du joaillier Tiffany, à New York, où les visiteurs pouvaient l’enjamber : la plus grosse pièce d’aluminium fondue jusqu’alors.
Une légende tenace veut que ce métal précieux ait été choisi pour honorer le premier président des États-Unis. Les archives disent autre chose. L’ingénieur Thomas Casey cherchait une pointe qui ne se ternirait pas à l’air, dont la teinte s’accorderait au marbre blanc, et qui encaisserait les chocs. William Frishmuth, l’un des rares producteurs d’aluminium du pays, affirma que son métal répondait à ces trois exigences. Le choix fut technique avant d’être symbolique.
Trente ans plus tard, l’aluminium servait à fabriquer des gamelles. Ce n’est pas la matière qui avait changé : c’est la manière de l’obtenir. Le chapitre 4 racontera comment.
Ce que révèlent les objets du quotidien
Le tableau ci-dessous en rassemble quelques-uns, pris dans la vie courante. Pour chacun, une exigence a pesé plus lourd que les autres au moment du choix.
| Objet | Matériau retenu | Exigence décisive |
|---|---|---|
| Casserole | Acier inoxydable à fond épais | Conduire la chaleur sans réagir avec les aliments ni rouiller au lavage |
| Vitre de fenêtre | Verre | Laisser passer la lumière tout en arrêtant le vent et la pluie |
| Pneu de vélo | Caoutchouc renforcé de fils | Se déformer au contact du sol et revenir à sa forme, des millions de fois |
| Charpente de maison | Bois | Porter beaucoup pour un poids modeste, et se travailler sur le chantier |
| Câble électrique | Cuivre gainé de plastique | Conduire le courant à l’intérieur, l’empêcher de sortir à l’extérieur |
| Bouteille d’eau | Plastique de type PET | Peser très peu, ne pas casser en tombant, coûter quelques centimes |
Remarque la dernière colonne : elle ne dit pas « le meilleur matériau », mais « l’exigence décisive ». Un câble en argent conduirait mieux le courant que le cuivre ; son prix interdit d’y songer. Une bouteille en verre protégerait mieux le goût de l’eau ; son poids et sa fragilité l’ont écartée pour l’usage nomade. Choisir, c’est renoncer.
- La matière première est extraite ; le matériau en est tiré par transformation ; l’objet technique en est fabriqué.
- Chaque passage d’une étape à la suivante consomme de l’énergie et du travail, ce qui se retrouve dans le prix final.
- Un matériau se décrit par ses propriétés, c’est-à-dire par des grandeurs mesurables et non par des impressions.
- Le choix d’un matériau dépend de l’usage visé. Un matériau excellent pour un objet peut se révéler inadapté pour un autre.
Pourquoi ranger ?
Un classement n’est utile que s’il permet de prévoir. Ranger les matériaux par couleur ne servirait à rien : un métal peut être gris, doré ou rougeâtre. Les ranger par ordre alphabétique n’apprendrait rien non plus.
Le classement retenu en technologie repose sur l’origine et sur la manière dont la matière est organisée à l’intérieur. Son intérêt est immédiat : connaissant la famille d’un matériau inconnu, tu peux déjà parier sur plusieurs de ses comportements. Un métal conduira la chaleur ; une céramique se brisera net au choc ; un plastique ramollira près d’une flamme.
Les matériaux métalliques
Ils sont extraits de minerais, c’est-à-dire de roches qui contiennent le métal lié à d’autres éléments, le plus souvent à l’oxygène. Séparer le métal de ce qui l’accompagne demande beaucoup de chaleur ou beaucoup d’électricité : c’est tout le sujet du chapitre 4.
Un métal se reconnaît à trois traits. Il est opaque et brillant une fois poli. Il conduit la chaleur et le courant électrique. Surtout, il se déforme sans se rompre : frappe une plaque d’acier au marteau, elle se creuse ; frappe une assiette, elle éclate. Cette aptitude à s’étirer et à se plier porte un nom, la ductilité, et elle explique que les métaux se laissent laminer en feuilles, étirer en fils ou emboutir en canettes.
Les métaux purs sont rares dans les objets. Presque tous les métaux que tu manipules sont des alliages : un métal principal auquel d’autres éléments ont été ajoutés volontairement, en petite quantité, pour corriger un défaut ou renforcer une qualité. L’acier est un alliage de fer et de carbone ; le laiton associe le cuivre et le zinc ; le bronze, le cuivre et l’étain.
Un alliage est un matériau métallique obtenu en mélangeant, à l’état fondu, un métal principal et un ou plusieurs autres éléments. Le résultat possède des propriétés que le métal seul ne présentait pas.
Ajouter 0,2 % de carbone au fer donne un acier bien plus résistant que le fer pur. Ajouter 12 % de chrome donne un acier qui ne rouille plus. De très petites quantités suffisent à changer le comportement de l’ensemble.
Les matériaux organiques
Le mot vient du grec ancien et renvoie à la vie. Cette famille rassemble en effet tout ce qui provient d’un être vivant, actuel ou très ancien.
Les organiques naturels sortent directement d’une plante ou d’un animal : le bois, le papier tiré du bois, le coton, la laine, le cuir, le caoutchouc récolté en entaillant l’écorce de l’hévéa. Les organiques synthétiques sont fabriqués en usine à partir du pétrole ou du gaz naturel, eux-mêmes issus de la décomposition d’organismes vivants enfouis depuis des millions d’années : ce sont les matières plastiques et les caoutchoucs artificiels.
Leur point commun tient à leur structure interne. La matière y est faite de très longues molécules en forme de chaînes, appelées polymères. Représente-toi un plat de spaghettis : des filaments enchevêtrés qui glissent les uns sur les autres. Cette image explique déjà beaucoup : les organiques sont plutôt légers, plutôt souples, et la chaleur les ramollit parce qu’elle facilite le glissement des chaînes.
Un polymère est une très longue molécule formée par la répétition d’un même motif de base, comme un collier fait de milliers de perles identiques. Le mot vient du grec : poly, plusieurs, et meros, partie.
La cellulose du bois, l’amidon de la pomme de terre et le polyéthylène d’un sac de course sont tous des polymères. Les deux premiers sont fabriqués par des êtres vivants, le troisième par une usine.
Les matériaux céramiques et minéraux
Cette famille regroupe ce qui provient des roches, des sables et des terres, puis qui a subi une cuisson ou une prise : la brique, la tuile, la porcelaine, le plâtre, le ciment, le béton et le verre.
Leur comportement est presque l’inverse de celui des métaux. Ils sont durs : difficiles à rayer. Ils résistent très bien à la chaleur et aux agressions chimiques : une assiette passe au four sans broncher. En revanche, ils sont fragiles au sens technique du terme : sous un choc, ils ne se déforment pas, ils se rompent d’un coup, sans prévenir.
Le verre mérite une mention particulière, car sa structure interne est désordonnée. Dans la plupart des solides, les atomes sont rangés régulièrement, comme des oranges empilées sur un étal. Dans le verre, ils sont figés en désordre, dans la position qu’ils occupaient à l’état liquide. Les spécialistes parlent d’un solide amorphe. Conséquence directe : le verre ne possède pas de température de fusion nette. Chauffé, il ramollit progressivement, ce qui permet de le souffler et de l’étirer.
Tu as peut-être entendu dire que les vitraux des cathédrales sont plus épais en bas parce que le verre coulerait très lentement depuis huit siècles. L’histoire est jolie ; elle est fausse.
En 1998, le chercheur brésilien Edgar Zanotto a calculé le temps qu’il faudrait à un verre médiéval pour s’affaisser de façon visible à température ambiante. Le résultat dépasse l’âge de l’Univers. Si le verre coule, c’est à une lenteur qui rend l’idée sans portée pratique.
L’explication réelle tient à la fabrication. Les verriers d’autrefois soufflaient une bulle puis la faisaient tourner pour l’aplatir : le disque obtenu était plus épais sur un bord. En montant le vitrail, ils plaçaient naturellement le côté lourd vers le bas.
Les matériaux composites
Un composite n’est pas un mélange au sens où le sont les alliages. C’est un assemblage : au moins deux matériaux différents sont réunis, et chacun conserve sa nature propre. Observe une tige de fibre de verre à la loupe : tu distingueras les fils de verre noyés dans la résine.
La combinaison obéit le plus souvent au même principe. Un renfort, en forme de fibres ou de barres, apporte la résistance ; une matrice l’entoure, le protège et transmet les efforts d’une fibre à l’autre. Le béton armé, étudié dans le cours précédent, en est l’exemple le plus répandu : des barres d’acier dans une matrice de béton.
Les composites permettent d’obtenir des propriétés qu’un matériau seul ne fournirait pas. Une coque de bateau en polyester renforcé de fibres de verre est plus légère qu’une coque de bois de même résistance, et l’eau salée ne l’attaque pas. Un cadre de vélo en fibres de carbone pèse moins d’un kilogramme. Ces avantages ont une contrepartie sérieuse : une fois les fibres collées dans la résine, séparer les deux devient très difficile, ce qui complique le recyclage. Nous y reviendrons au chapitre 5.
Un matériau composite associe au moins deux matériaux qui gardent chacun leur identité, de façon à obtenir un ensemble plus performant que chacun de ses constituants pris séparément.
Il se compose d’un renfort, qui reprend les efforts, et d’une matrice, qui maintient le renfort en place et le protège.
Une découverte due à un geste d’humeur
Vers 1830, le caoutchouc naturel enthousiasme les industriels américains, puis les déçoit : en été, il devient collant et malodorant ; en hiver, il durcit et se fend. Des fortunes s’y perdent.
Charles Goodyear, quincaillier ruiné devenu chimiste autodidacte, s’obstine. Il mélange sa gomme à tout ce qui lui tombe sous la main, dont du soufre, sans résultat convaincant. Un jour de l’hiver 1839, à Woburn dans le Massachusetts, il présente son produit devant des notables sceptiques. La démonstration tourne court. Excédé, il jette sa gomme, qui atterrit sur un poêle brûlant.
Le caoutchouc ne fond pas. Il se transforme en une matière souple, élastique et résistante. Sous l’effet de la chaleur, le soufre venait de créer des ponts entre les longues chaînes du polymère : les filaments ne glissaient plus librement les uns sur les autres. Ce procédé porte le nom de vulcanisation, en hommage à Vulcain, dieu romain du feu.
La suite est moins glorieuse. Goodyear met trois ans à maîtriser le procédé, dépose son brevet américain en 1844, et découvre qu’un Anglais, Thomas Hancock, l’a devancé de quelques semaines en Grande-Bretagne. Il passera le reste de sa vie en procès, sera emprisonné pour dettes à Paris et mourra ruiné en 1860. L’entreprise de pneumatiques qui porte son nom fut fondée trente-huit ans plus tard, par des gens qui ne le connaissaient pas.
Le récit du morceau de gomme jeté sur le poêle est rapporté par Goodyear lui-même, des années plus tard, et il a été embelli au fil des récits. Ce qui est certain : il travaillait déjà avec du soufre depuis plusieurs années, et la chaleur a révélé un effet qu’il cherchait sans le comprendre.
La découverte scientifique procède rarement d’un coup de chance isolé. Le hasard favorise ceux qui ont préparé le terrain assez longtemps pour reconnaître l’événement quand il se produit.
Identifier une famille sans laboratoire
Rassemble quatre petits objets : une cuillère en métal, une règle en plastique, un carreau de faïence ou une tasse ébréchée, une chute de bois. Puis mène ces quatre tests.
- Le toucher. Pose la main quelques secondes sur chacun. Le métal paraît froid, le bois presque tiède. Ils sont pourtant à la même température, celle de la pièce. Le métal évacue simplement la chaleur de ta main plus vite, ce qui crée la sensation de froid.
- Le son. Tapote chaque objet avec l’ongle. Le métal sonne longuement, la céramique clair et bref ; le bois répond d’un bruit mat, le plastique d’un son étouffé.
- La rayure. Essaie de rayer chaque surface avec ton ongle. Le plastique et le bois se marquent ; le métal et la céramique résistent.
- Le poids. Soupèse des morceaux de taille comparable. L’écart entre le bois et le métal se sent immédiatement : c’est la masse volumique, que nous mesurerons au chapitre suivant.
| Famille | Origine | Comportement typique | Exemples |
|---|---|---|---|
| Métalliques | Minerais extraits du sol | Conduisent la chaleur et le courant ; se déforment avant de rompre ; se corrodent parfois | Acier, aluminium, cuivre, laiton, titane |
| Organiques | Vivant actuel ou pétrole | Légers, souples, isolants ; ramollissent ou brûlent à la chaleur | Bois, papier, cuir, laine, plastiques, caoutchouc |
| Céramiques | Roches, sables, argiles | Durs, résistants au feu et aux produits chimiques ; cassants | Verre, porcelaine, brique, béton, plâtre |
| Composites | Assemblage de plusieurs familles | Propriétés combinées, souvent légers et résistants ; difficiles à recycler | Béton armé, fibre de verre, fibre de carbone, contreplaqué |
Ce classement en quatre familles est celui qu’emploient les programmes de technologie. D’autres découpages existent : certains ouvrages séparent les céramiques proprement dites, cuites à très haute température, des matériaux minéraux comme le béton ou le plâtre, qui durcissent à froid.
Le bois, lui, pose une question amusante : constitué de fibres de cellulose noyées dans une autre substance, il ressemble beaucoup à un composite naturel. Le classer parmi les organiques reste la convention ; comprendre pourquoi la question se pose vaut mieux que retenir la réponse.
- Les matériaux se rangent en quatre familles : métalliques, organiques, céramiques, composites.
- Un alliage est un matériau métallique auquel d’autres éléments ont été ajoutés ; un polymère est une longue molécule en chaîne ; un composite réunit un renfort et une matrice qui gardent chacun leur nature.
- Les métaux se déforment avant de rompre ; les céramiques rompent sans se déformer. Cette opposition commande une grande partie de leurs usages.
- Le verre est un solide amorphe : sa matière est figée en désordre, ce qui lui vaut de ramollir progressivement au lieu de fondre à une température précise.
De l’impression à la grandeur
Soupèse une bille d’acier et une bille de plastique de même taille : tu sens la différence. Mais « lourd » ne se compare pas d’un objet à l’autre, puisqu’un gros morceau de plastique pèsera plus qu’une petite bille d’acier. Pour comparer les matériaux et non les objets, il faut une grandeur qui ne dépende ni de la taille ni de la forme.
C’est le rôle de la masse volumique : la masse d’un mètre cube de matière. Elle a été étudiée dans un cours précédent ; elle sert ici d’exemple de ce qu’est une propriété au sens technique. Une telle grandeur se mesure selon une procédure convenue, s’exprime avec une unité, et permet de classer.
Ce graphique explique bien des choix. Un avion de ligne pèse plusieurs centaines de tonnes ; chaque kilogramme économisé sur sa structure se traduit par du carburant épargné pendant vingt ans. L’aluminium, trois fois moins lourd que l’acier pour un volume donné, s’y est imposé dès les années 1930. À l’inverse, un contrepoids de grue cherche la masse maximale sous le plus petit volume possible : le béton lourd et la fonte y font merveille.
Conduire ou isoler
Pose une cuillère en métal et une cuillère en bois dans une casserole d’eau chaude. Au bout d’une minute, le manche métallique brûle les doigts ; le manche en bois reste tiède. La grandeur en jeu s’appelle la conductivité thermique : elle mesure la vitesse à laquelle la chaleur traverse un matériau.
Les écarts sont considérables. Entre le cuivre et le bois, le rapport dépasse deux mille. Entre le cuivre et une mousse isolante, il approche quinze mille. Cette échelle immense explique pourquoi les mêmes matériaux reviennent aux mêmes postes : le cuivre dans les radiateurs et le fond des casseroles, le bois et les mousses dans les murs.
La conductivité thermique mesure l’aptitude d’un matériau à laisser passer la chaleur. Elle s’exprime en watts par mètre et par kelvin, noté W/(m·K). Plus le nombre est grand, mieux le matériau conduit ; plus il est petit, mieux il isole.
La conductivité électrique mesure de même l’aptitude à laisser passer le courant. Chez les métaux, les deux vont de pair : les bons conducteurs de chaleur sont aussi de bons conducteurs électriques.
| Matériau | Masse volumique (kg/m3) |
Température de fusion (°C) |
Conductivité thermique (W/(m·K)) |
|---|---|---|---|
| Cuivre | 8 960 | 1 085 | 400 |
| Aluminium | 2 700 | 660 | 200 |
| Acier courant | 7 850 | 1 400 à 1 540 | 50 |
| Acier inoxydable | 7 900 | 1 400 | 15 |
| Verre | 2 500 | sans valeur unique | 1 |
| Chêne sec | 700 | brûle avant de fondre | 0,15 |
| Polyéthylène | 950 | 130 | 0,3 |
| Air immobile | 1,2 | sans objet | 0,026 |
Deux lignes de ce tableau méritent une explication. Le verre n’a pas de température de fusion unique parce que sa matière est désordonnée : il ramollit sur une plage de plusieurs centaines de degrés au lieu de passer d’un coup à l’état liquide. Le bois, lui, ne fond pas : chauffé, ses molécules se décomposent et brûlent. La dernière ligne rappelle enfin que l’air immobile compte parmi les meilleurs isolants ; c’est lui, emprisonné dans les alvéoles, qui isole une couette ou une laine de verre, bien plus que la matière elle-même.
Qui raye qui ?
La dureté mesure la résistance d’un matériau à la rayure. En 1812, le minéralogiste allemand Friedrich Mohs propose une méthode d’une simplicité remarquable. Plutôt que de chercher à mesurer une dureté absolue, hors de portée des moyens de l’époque, il compare les minéraux deux à deux selon une règle unique : le plus dur raye l’autre, et le contraire ne se produit pas.
Il choisit dix minéraux témoins, du talc au diamant, et leur attribue les nombres 1 à 10. Deux siècles plus tard, les géologues s’en servent encore sur le terrain, avec un ongle et un couteau pour tout matériel.
Munis-toi d’un ongle, d’une pièce de un centime, d’un clou en acier et d’un morceau de verre à jeter, puis teste quelques échantillons : une mine de crayon, un bâton de craie, un galet, un carreau de faïence.
Procède du plus tendre au plus dur, pour ne pas abîmer inutilement tes échantillons. Frotte, puis essuie la trace du doigt : une poudre qui s’efface ne prouve rien, seule une entaille compte.
Une précision utile : les pièces de un, deux et cinq centimes sont en acier recouvert d’une fine couche de cuivre. Le test renseigne donc sur la dureté du cuivre de surface, proche de 3, et non sur celle de l’acier qui se trouve dessous.
Le diamant occupe le sommet de l’échelle de Mohs : rien de connu ne le raye, sinon un autre diamant. Cela ne le rend pas incassable pour autant. Un choc bien orienté le fend net, car sa matière présente des plans de rupture privilégiés.
La leçon dépasse le cas du diamant. La dureté, qui est la résistance à la rayure, et la ténacité, qui est la résistance au choc, sont deux propriétés distinctes. Un matériau peut exceller dans l’une et se montrer décevant dans l’autre : c’est le cas de la porcelaine, difficile à rayer et facile à briser.
Résister à l’air, à l’eau et au temps
Un matériau n’affronte pas seulement des forces : il affronte son environnement. L’oxygène de l’air, l’humidité, le sel, les produits ménagers l’attaquent lentement. Ce phénomène porte le nom de corrosion.
Le fer en offre l’exemple le plus visible. Exposé à l’air humide, il se couvre de rouille, une matière brun-orange, poreuse et friable. Celle-ci se détache et laisse le métal frais à découvert, si bien que l’attaque se poursuit en profondeur. Une carrosserie non traitée finit percée.
L’aluminium se comporte autrement, et le contraste est instructif. Il s’oxyde lui aussi, plus vite que le fer même. Mais la couche d’oxyde qu’il forme est mince, transparente, très adhérente et continue. Elle scelle la surface et arrête la progression. Un volet en aluminium reste sain pendant des décennies, non parce qu’il résiste à l’oxygène, mais parce que sa première blessure le protège de la suivante.
En 1912, à Sheffield en Angleterre, Harry Brearley dirige un laboratoire de métallurgie. Il n’est pas né dans les livres : fils de fondeur, il a quitté l’école à douze ans pour entrer à l’aciérie, puis a étudié le soir. Ses employeurs lui confient un problème militaire : les canons des armes à feu s’érodent trop vite sous l’effet des tirs répétés.
Brearley essaie des aciers additionnés de chrome. Le 13 août 1913, il coule un alliage contenant environ 12,8 % de chrome et 0,24 % de carbone. Pour l’usage visé, le résultat ne convainc pas. Mais en observant ses chutes d’essai abandonnées dans un coin de l’atelier, il remarque que ces échantillons-là ne rouillent pas, alors que les autres se couvrent de taches.
Ses employeurs, tournés vers l’armement, se désintéressent de la trouvaille. Brearley se tourne alors vers l’industrie qui fait vivre sa ville : la coutellerie. Un coutelier local, Ernest Stuart, forge des couteaux dans ce métal et lui donne le nom qui restera : stainless steel, l’acier sans tache.
Le secret tient au chrome. Il forme en surface une couche d’oxyde invisible, si mince que l’œil ne la distingue pas, et qui se reconstitue d’elle-même dès qu’une rayure la perce. C’est ce film qui protège ta fourchette, l’évier de la cuisine et les instruments d’un bloc opératoire.
Attribuer l’invention de l’acier inoxydable au seul Brearley simplifie l’histoire. Entre 1911 et 1914, des chercheurs travaillaient sur des aciers au chrome en Allemagne, chez Krupp, avec Eduard Maurer et Benno Strauss, et aux États-Unis, avec Frederick Becket, Christian Dantsizen et Elwood Haynes.
La profession situe aujourd’hui la naissance de l’inox entre 1912 et 1913, sans désigner un père unique. Les grandes découvertes techniques surgissent souvent en plusieurs points à la fois, lorsque les moyens de les faire sont enfin réunis. Le chapitre suivant en donnera un autre exemple, plus spectaculaire encore.
- Une propriété est une grandeur mesurable selon un protocole convenu, et non une impression.
- La masse volumique permet de comparer les matériaux entre eux, indépendamment de la taille des objets.
- La conductivité thermique sépare les conducteurs, comme le cuivre, des isolants, comme le bois et les mousses. L’air immobile figure parmi les meilleurs d’entre eux.
- La dureté se mesure par la rayure, sur l’échelle de Mohs, graduée de 1 à 10. Elle ne se confond pas avec la ténacité, qui est la résistance au choc.
- La corrosion attaque les matériaux par leur surface. Certains métaux, comme l’aluminium et l’acier inoxydable, se protègent grâce à la couche d’oxyde qu’ils forment eux-mêmes.
Le problème commun à tous les métaux
Dans la nature, les métaux se cachent. Sauf de rares exceptions comme l’or, ils ne se présentent pas à l’état de métal, mais liés chimiquement à d’autres éléments, principalement à l’oxygène. Le minerai de fer est un oxyde de fer ; la bauxite contient un oxyde d’aluminium.
Obtenir le métal revient donc à rompre ce lien : arracher l’oxygène pour ne garder que le métal. Cette opération porte le nom de réduction, et elle demande de l’énergie. Beaucoup d’énergie. Le prix d’un métal reflète d’abord la difficulté de cette séparation, bien avant la rareté du minerai lui-même.
Un minerai est une roche qui contient un métal en quantité suffisante pour que son extraction soit intéressante. Le même métal, présent en trop faible proportion, ne fait pas d’une roche un minerai.
La réduction est l’opération chimique qui sépare le métal de l’oxygène auquel il est lié. Elle s’obtient par la chaleur et un agent réducteur, ou par un courant électrique.
Première filière : l’acier
Le minerai de fer arrive concassé et aggloméré en petits blocs. Il entre par le haut d’une tour de vingt-cinq à trente mètres, le haut fourneau, accompagné de deux autres ingrédients : du coke et du calcaire.
Le coke est du charbon préalablement cuit vers 1 250 °C à l’abri de l’air, dans une cokerie. Cette cuisson chasse les matières volatiles et laisse un carbone presque pur. Pourquoi ne pas verser le charbon directement ? Parce qu’à la chaleur, le charbon se ramollit et colmate le four : l’air ne circulerait plus, et la combustion s’arrêterait. Le coke, lui, reste solide et poreux jusqu’au bout : la colonne de matière garde ses passages ouverts.
À la base du four, des tuyères soufflent de l’air chauffé à environ 1 200 °C. Le coke s’enflamme et produit un gaz, le monoxyde de carbone, qui remonte à travers la charge. Ce gaz avide d’oxygène le prend au minerai : le fer se libère. En descendant dans le coke incandescent, ce fer se charge en carbone et fond. Le liquide qui s’accumule dans le creuset n’est donc pas du fer pur : c’est de la fonte, un alliage de fer contenant plus de deux pour cent de carbone.
La roche inutile qui accompagnait le minerai fond également et forme le laitier. Plus léger, il flotte au-dessus de la fonte et se coule séparément. Loin d’être un déchet, il part en cimenterie, où il entre dans la composition de certains ciments.
Reste un problème : avec autant de carbone, la fonte est dure mais cassante. Pour obtenir de l’acier, il faut lui en retirer. Cette opération a lieu dans un convertisseur : de l’oxygène pur est soufflé à grande vitesse dans la fonte liquide, il brûle le carbone en excès, et le métal obtenu contient moins de deux pour cent de carbone. C’est l’acier.
Fer, fonte et acier diffèrent par une seule chose : la proportion de carbone. L’écart paraît minuscule, ses effets sont considérables.
- Fer presque pur (moins de 0,02 % de carbone) : tendre, se plie facilement, peu utilisé seul.
- Acier (de 0,02 à 2 % environ) : résistant et déformable à la fois. Un acier à 0,2 % sert aux charpentes ; un acier à 0,8 % donne des outils tranchants.
- Fonte (plus de 2 %, souvent 3 à 4 %) : fond à température plus basse, se coule dans des moules aux formes compliquées, mais casse sous un choc violent.
Ajouter deux grammes de carbone par kilogramme de fer suffit à transformer un métal mou en matériau de construction. C’est le meilleur argument en faveur des alliages.
Il existe une seconde voie, bien plus économe : la filière électrique. Des ferrailles de récupération sont fondues dans un four où jaillit un arc électrique entre d’énormes électrodes de graphite. Ni minerai, ni haut fourneau, ni coke : le métal existe déjà, il change simplement de forme. Cette voie assure aujourd’hui une part importante de la production mondiale d’acier.
Deuxième filière : l’aluminium
Avec ce métal, la difficulté change de nature. Son lien avec l’oxygène est bien plus solide que celui du fer : le monoxyde de carbone d’un haut fourneau ne parvient pas à le rompre. Il faut une autre force, et cette force est électrique.
La production se fait en deux temps. La bauxite est d’abord broyée puis attaquée par de la soude concentrée, chaude et sous pression : l’alumine se dissout, les impuretés restent sous forme de résidus, les fameuses « boues rouges ». C’est le procédé Bayer, mis au point en 1887 par le chimiste autrichien Karl Josef Bayer. Il en sort une poudre blanche : l’alumine.
Cette alumine est ensuite dissoute dans un bain de cryolithe fondue, vers 950 °C, et traversée par un courant électrique très intense. L’électricité arrache l’oxygène ; l’aluminium liquide se dépose au fond de la cuve. C’est le procédé Hall-Héroult.
Ils sont nés la même année, 1863, l’un dans l’Ohio, l’autre en Normandie. Adolescents, ils lisent le même livre sur l’aluminium, signé du chimiste français Henri Sainte-Claire Deville. Ils mourront la même année, en 1914.
Charles Martin Hall travaille chez ses parents, avec des piles pour toute source de courant et l’aide de sa sœur aînée Julia. Le 23 février 1886, il obtient quelques billes brillantes au fond de son creuset : de l’aluminium. Il a vingt-deux ans. Le soir même, il écrit à son frère pour raconter l’expérience ; cette lettre datée lui servira plus tard de preuve.
À six mille kilomètres de là, Paul Héroult a transformé en laboratoire la tannerie familiale héritée de son père. Sa mère lui a donné ses dernières économies pour acheter une dynamo. En avril de la même année, il réussit la même opération, par le même procédé, sans rien connaître des travaux de Hall. Il dépose son brevet français le 23 avril ; il a vingt-trois ans. Hall dépose le sien aux États-Unis le 9 juillet.
Deux jeunes gens de vingt-deux et vingt-trois ans, sur deux continents, résolvent en quelques semaines un problème sur lequel des chimistes réputés butaient depuis soixante ans. Après un procès perdu par Héroult, faute de nationalité américaine, les deux hommes devinrent amis. Leur procédé porte leurs deux noms et reste, aujourd’hui encore, la seule méthode industrielle de production de l’aluminium.
Cette coïncidence n’a rien de miraculeux. Vers 1880, la dynamo industrielle vient de rendre le courant électrique disponible en grande quantité. Le problème était posé depuis des décennies, les connaissances chimiques étaient partagées dans toute l’Europe et l’Amérique ; il manquait uniquement le courant.
Dès qu’un obstacle technique tombe, plusieurs esprits préparés franchissent la porte au même moment. Nous avons rencontré le même phénomène au chapitre précédent, avec l’acier inoxydable.
Troisième filière : les plastiques
Le trajet part d’un liquide noir et épais : le pétrole brut. La raffinerie le sépare en tranches selon la température d’ébullition ; l’une de ces tranches, le naphta, sert de point de départ à presque toute la chimie des plastiques.
Le naphta passe ensuite dans un vapocraqueur : chauffé brutalement en présence de vapeur d’eau, ses grosses molécules se brisent en fragments plus courts, dont l’éthylène et le propylène. Ces petites molécules sont les monomères, les perles du collier.
Vient enfin la polymérisation : sous l’effet de la pression, de la chaleur et de catalyseurs, les monomères s’accrochent les uns aux autres par milliers et forment de longues chaînes. L’éthylène devient du polyéthylène, le propylène du polypropylène. Le produit sort de l’usine sous forme de granulés, que les fabricants d’objets fondent et moulent.
Le premier plastique entièrement artificiel date de 1907. Le chimiste belge Leo Baekeland, installé près de New York, cherchait un remplaçant à la porcelaine pour l’industrie électrique alors en pleine expansion. En chauffant sous pression du phénol et du formaldéhyde, il obtient une résine dure, isolante et résistante à la chaleur : la Bakélite.
Elle envahit les foyers pendant quarante ans : boîtiers de téléphone, postes de radio, prises électriques, manches de casserole, bijoux. Avant elle, des matières appelées plastiques existaient déjà, comme le celluloïd, mais elles étaient fabriquées à partir de la cellulose, donc d’une matière végétale. La Bakélite fut la première à ne rien devoir à un polymère naturel.
Quatrième filière : le bois
Le bois se distingue des trois précédents sur un point capital : sa matière première se renouvelle. Un arbre coupé peut être remplacé, ce que ne permettent ni un gisement de bauxite ni une nappe de pétrole à l’échelle d’une vie humaine.
Ce renouvellement demande cependant du temps. Un chêne de charpente réclame de quatre-vingts à cent vingt ans avant d’être exploitable ; un peuplier, une vingtaine d’années. Une forêt ne fournit donc du bois indéfiniment que si les prélèvements restent inférieurs à la croissance. La transformation, en revanche, est peu gourmande : scier, sécher et raboter consomme bien moins d’énergie qu’un haut fourneau ou qu’une cuve d’électrolyse.
| Matériau | Matière première | Transformation principale | Énergie requise | Renouvelable ? |
|---|---|---|---|---|
| Acier | Minerai de fer | Haut fourneau puis convertisseur | Élevée | Non |
| Aluminium | Bauxite | Procédé Bayer puis électrolyse | Très élevée | Non |
| Plastique | Pétrole ou gaz naturel | Vapocraquage puis polymérisation | Moyenne | Non |
| Bois | Arbre | Sciage et séchage | Faible | Oui, si la forêt est gérée |
Retiens le lien qui traverse ce chapitre : l’énergie dépensée pour obtenir un matériau explique son prix, et elle éclaire aussi l’intérêt du recyclage.
Refondre un métal déjà séparé de son oxygène coûte infiniment moins cher que de recommencer la séparation. Le chapitre suivant chiffre cet écart : il est spectaculaire.
- Les métaux se trouvent dans la nature liés à l’oxygène. Les obtenir suppose de rompre ce lien : c’est la réduction.
- L’acier vient du haut fourneau, où le coke réduit le minerai et donne de la fonte, puis du convertisseur, qui retire le carbone en excès.
- L’aluminium exige de l’électricité : procédé Bayer pour obtenir l’alumine, puis électrolyse Hall-Héroult. Quatre tonnes de bauxite donnent environ une tonne de métal.
- Les plastiques naissent du naphta : vapocraquage pour obtenir les monomères, polymérisation pour les assembler en chaînes.
- Le bois est la seule de ces filières à reposer sur une ressource renouvelable, à condition que les prélèvements respectent le rythme de croissance de la forêt.
Suivre un objet du berceau à la tombe
Les ingénieurs ont pris l’habitude d’examiner un produit sur toute sa durée d’existence, et non sur le seul moment où il est fabriqué. Cette méthode porte un nom : l’analyse du cycle de vie. Elle consiste à compter, étape par étape, ce que le produit consomme et ce qu’il rejette.
Les résultats réservent des surprises. Pour un sac de course, l’essentiel se joue à la fabrication, puisque son usage ne consomme rien. Pour un réfrigérateur, la fabrication compte peu : ce sont les quinze années de fonctionnement qui pèsent. Sans cette méthode, comparer deux solutions revient à comparer deux impressions.
Le cycle de vie d’un produit désigne l’ensemble des étapes qu’il traverse, depuis l’extraction des matières premières jusqu’à son élimination ou son recyclage : extraction, fabrication, distribution, usage, fin de vie.
L’analyse du cycle de vie est l’étude chiffrée de ce parcours : énergie consommée, matières utilisées, déchets produits à chaque étape.
Les cinq étapes, une par une
L’extraction ouvre le cycle. Une mine, une carrière, un puits ou une forêt fournissent la matière première. Cette étape modifie un paysage et consomme déjà de l’énergie, avant même qu’un objet existe.
La fabrication transforme la matière en matériau, puis le matériau en objet. C’est l’étape la plus visible, et souvent la plus gourmande pour les métaux, comme le chapitre précédent l’a montré.
La distribution déplace l’objet jusqu’au lieu de vente. Bateau, train, camion : chaque kilomètre parcouru compte, et le poids de l’emballage compte autant que celui du produit.
L’usage occupe généralement la plus longue durée. Il consomme parfois beaucoup, comme pour un appareil électrique, parfois rien du tout, comme pour une chaise.
La fin de vie, enfin, offre trois destins possibles. Le recyclage renvoie la matière vers l’étape de fabrication : la boucle se referme. La valorisation énergétique brûle le déchet dans une usine d’incinération et récupère la chaleur produite : la matière est perdue, l’énergie ne l’est pas entièrement. L’enfouissement stocke le déchet dans une installation prévue à cet effet : la matière sort du circuit.
Pourquoi certains matériaux se recyclent mieux que d’autres
Deux conditions déterminent la facilité du recyclage : la matière doit pouvoir être séparée des autres, et elle doit retrouver ses propriétés après traitement.
Les métaux remplissent les deux conditions de façon remarquable. Un métal fondu redevient le métal qu’il était ; ses propriétés ne se dégradent pas au fil des passages. La séparation est facilitée par la physique elle-même : un aimant attire l’acier et le trie sans intervention humaine ; l’aluminium, qui n’est pas magnétique, se sépare grâce à des machines à courants de Foucault, capables de l’éjecter du flux de déchets. Le verre se comporte de même : refondu, il redevient du verre.
Les plastiques posent un problème différent. Il n’existe pas un plastique mais des dizaines, aux compositions incompatibles : mélangés, ils donnent une matière aux propriétés médiocres. À cela s’ajoute que les longues chaînes se raccourcissent un peu à chaque cycle de chauffage. Un flacon de lessive recyclé devient rarement un flacon de lessive : il finit en tuyau, en banc public, en fibre textile. Cette dégradation progressive porte un nom : le décyclage. La matière descend d’un cran à chaque tour, jusqu’à sortir du circuit.
Les composites cumulent les difficultés, et pour une raison qui tient à leur principe même. Leur qualité vient de l’union intime des fibres et de la matrice ; séparer les deux revient à défaire ce qui a été conçu pour tenir. Une pale d’éolienne, un cadre de vélo en carbone ou une coque de bateau en polyester posent aujourd’hui de vraies questions de fin de vie. Des procédés de séparation existent, mais leur coût dépasse souvent la valeur de la matière récupérée.
Le recyclage en boucle fermée permet de refabriquer le même produit indéfiniment : une canette redevient une canette, une bouteille en verre redevient une bouteille.
Le décyclage désigne le cas où la matière recyclée ne peut plus servir au même usage et se retrouve affectée à un emploi moins exigeant. Il s’agit d’un recyclage réel, mais à sens unique.
| Matériau | Taux | Ce qui explique ce résultat |
|---|---|---|
| Acier | proche de 100 % | Trié automatiquement par aimant ; refonte simple ; forte valeur de la ferraille |
| Verre | 85 % | Collecte séparée ancienne et bien installée ; refonte sans perte de qualité |
| Papier et carton | 69 % | Fibres récupérables, mais qui raccourcissent à chaque passage |
| Aluminium | 61 % | Emballages souvent petits (capsules, barquettes), longtemps mal captés par les centres de tri |
| Plastiques | 26 à 29 % | Familles nombreuses et incompatibles ; emballages composés de plusieurs couches |
Ces pourcentages portent sur les emballages ménagers, et non sur l’ensemble des objets. Ils dépendent aussi de la manière de compter : rapporter les tonnes recyclées aux tonnes mises sur le marché, ou aux tonnes collectées, ne donne pas le même résultat. Les méthodes de calcul ont évolué ces dernières années, ce qui explique les écarts entre publications.
Le chiffre de l’acier, arrondi à cent pour cent par l’organisme qui le publie, doit se lire comme un ordre de grandeur : il signifie que la quasi-totalité de l’acier d’emballage rejoint effectivement la filière.
Refondre de l’aluminium consomme environ 5 % de l’énergie qu’aurait demandée sa production à partir de bauxite : l’économie atteint donc à peu près 95 %. La raison est limpide : la séparation d’avec l’oxygène, l’étape coûteuse, a déjà été faite une fois pour toutes.
Conséquence de cette valeur : le métal ne se perd pas. La profession estime qu’environ 75 % de tout l’aluminium produit depuis 1880 est encore en service quelque part, dans un bâtiment, un véhicule ou une machine. La canette que tu tiens contient peut-être du métal qui fut jadis une pièce d’avion.
Ce que coûte vraiment une usine
Dans les Bouches-du-Rhône, une usine traite la bauxite par le procédé Bayer depuis 1893 : c’est là que ce procédé fut appliqué pour la première fois à l’échelle industrielle, avec l’aide de son inventeur. Le principe n’a guère changé depuis.
Or ce procédé laisse un résidu massif. Une fois l’alumine extraite, il reste les impuretés de la roche, chargées d’oxyde de fer, ce qui leur donne une couleur rouge, et imprégnées de soude. Ce résidu se compte en centaines de milliers de tonnes par an pour la seule usine de Gardanne.
À partir de 1966, ces « boues rouges » furent évacuées par une canalisation de quarante-sept kilomètres jusqu’au large de Cassis, où elles étaient rejetées dans une fosse marine, par plus de trois cents mètres de fond. Un arrêté préfectoral de 1996 fixa l’échéance de l’arrêt : le 31 décembre 2015. L’industriel installa des filtres-presses géants, en 2007 puis en 2014 et 2015, pour sécher les résidus au lieu de les envoyer en mer. Le solide obtenu, baptisé Bauxaline, cherche depuis des emplois : comblement de galeries, couverture de décharges, traitement de sols pollués. Les quantités employées restent inférieures aux quantités produites.
Cette histoire n’a pas de méchant, et elle enseigne quelque chose de précis : la fabrication d’un matériau ne produit pas que ce matériau. Le coût complet d’un kilogramme d’aluminium comprend l’énergie de l’électrolyse, mais aussi le devenir des résidus laissés en amont. Une analyse du cycle de vie sérieuse compte les uns et les autres.
Une canette en aluminium jetée dans la rue, une canette au bac de tri, un pot de yaourt et une pale d’éolienne : quatre destins.
- Canette dans la rue : ramassée avec les ordures ménagères, elle part à l’incinération ou en enfouissement. Le métal est perdu, alors qu’il valait la peine d’être récupéré.
- Canette au bac de tri : séparée en centre de tri, compactée, refondue, elle redevient de l’aluminium en quelques semaines. Boucle fermée.
- Pot de yaourt : en polystyrène, souvent muni d’un opercule d’aluminium et d’un manchon de carton. Trois matériaux à séparer pour quelques grammes de matière ; le tri est désormais possible partout en France, mais le plastique récupéré sert à d’autres usages. Décyclage.
- Pale d’éolienne : composite de fibres de verre et de résine, longue de plusieurs dizaines de mètres. Sa fin de vie reste un sujet de recherche active.
- Le cycle de vie compte cinq étapes : extraction, fabrication, distribution, usage, fin de vie.
- La fin de vie offre trois voies : recyclage, valorisation énergétique, enfouissement.
- Un matériau se recycle bien s’il peut être séparé des autres et s’il retrouve ses propriétés. Les métaux et le verre remplissent ces deux conditions ; les plastiques et les composites beaucoup moins.
- Le décyclage désigne un recyclage à sens unique, vers des usages de moins en moins exigeants.
- Recycler l’aluminium économise environ 95 % de l’énergie nécessaire à sa production initiale, parce que la séparation d’avec l’oxygène a déjà eu lieu.
Écrire ce que l’on attend avant de décider
L’ingénieur commence par écrire ce que l’objet devra savoir faire. Ce document s’appelle le cahier des charges. Tu l’as rencontré cette année à propos de la fonction d’usage ; il revient ici sous un autre angle, celui de la matière.
Un cahier des charges bien rédigé ne dit pas « faire un cadre en aluminium ». Il dit : « le cadre devra peser moins de mille cinq cents grammes, supporter un cycliste de cent kilogrammes, résister à la pluie pendant dix ans et coûter moins de deux cents euros à produire ». Le matériau vient ensuite, comme une réponse.
Le cahier des charges est le document qui énonce les exigences auxquelles un produit doit répondre : fonctions à remplir, performances à atteindre, contraintes à respecter, budget à tenir.
Il décrit un résultat attendu, non une solution technique. C’est ce qui laisse à l’ingénieur la liberté de chercher la meilleure réponse.
Des exigences qui se contredisent
Le schéma ci-dessus montre la difficulté du métier : les exigences tirent dans des directions opposées. Alléger conduit souvent à affaiblir. Renforcer coûte plus cher. Allonger la durée de vie suppose parfois des traitements qui compliquent le recyclage. Un matériau qui satisferait les six exigences à la fois n’existe pas.
Choisir revient donc à hiérarchiser : décider quelle exigence prime, laquelle vient ensuite, laquelle accepte d’être sacrifiée. Cette hiérarchie change selon le produit. Pour une fusée, la masse commande tout et le prix passe après. Pour une gouttière, le prix commande et la masse importe peu.
Premier cas : la canette de boisson
Les premières boîtes métalliques, dans les années 1930, étaient en fer-blanc, c’est-à-dire en acier recouvert d’étain. Lourdes et épaisses, elles pesaient un peu plus de cinquante grammes pour trente-trois centilitres, et il fallait un ouvre-boîte pour les percer.
En 1959, le brasseur américain Coors lance une boîte entièrement en aluminium, environ deux fois plus légère que son équivalent en fer-blanc. En 1962, une brasserie de Pittsburgh y ajoute une languette d’ouverture, ce qui supprime l’outil. En 1963, la fabrication en deux pièces se généralise : le corps est emmanché d’une seule pièce, sans soudure latérale, ce qui économise encore du métal.
L’amaigrissement n’a plus cessé depuis. Les parois se sont amincies ; le diamètre du couvercle, la partie la plus épaisse, est passé de soixante-six à cinquante-deux millimètres. Une canette de trente-trois centilitres pèse aujourd’hui environ treize grammes en aluminium et vingt et un grammes en acier.
Ce n’est pas la recherche de l’élégance qui a conduit là : quand une usine produit plusieurs milliards d’unités par an, un gramme économisé par canette représente des milliers de tonnes de métal. Sa forme même, avec son fond bombé vers l’intérieur, sert le même objectif : elle encaisse la pression du gaz avec le moins de matière possible.
Pourquoi l’aluminium plutôt que l’acier ? Parce que le classement des exigences le désigne. Il est plus léger, ce qui compte pour le transport ; il ne rouille pas au contact d’une boisson acide ; il se met en forme facilement ; il se recycle en boucle fermée avec une économie d’énergie considérable. L’acier reste pourtant en lice : il coûte moins cher, se trie encore plus facilement grâce à l’aimant, et les fabricants travaillent à des boîtes entièrement en acier, couvercle compris, pour simplifier le recyclage.
Deuxième cas : le cadre de vélo
Quatre matériaux se partagent le marché, et chacun correspond à une hiérarchie d’exigences différente.
| Matériau | Masse volumique (kg/m3) | Ce qu’il apporte | Ce qu’il coûte | Usage typique |
|---|---|---|---|---|
| Acier | 7 850 | Se répare à la soudure ; absorbe bien les vibrations ; très bon marché | Le plus lourd ; rouille s’il est rayé | Vélo de ville, cyclotourisme, voyage au long cours |
| Aluminium | 2 700 | Léger ; ne rouille pas ; prix modéré ; se recycle bien | Se répare difficilement ; transmet davantage les secousses | La majorité des vélos de sport actuels |
| Titane | 4 510 | Ni rouille ni fatigue ; souplesse confortable ; durée de vie très longue | Prix élevé ; soudure délicate à maîtriser | Vélo haut de gamme destiné à durer des décennies |
| Composite à fibres de carbone | 1 600 environ | Le plus léger ; le fabricant choisit la rigidité endroit par endroit | Prix élevé ; sensible aux chocs ; recyclage difficile | Compétition |
La masse volumique de l’acier vaut environ trois fois celle de l’aluminium. Un cadre en acier ne pèse pourtant pas trois fois plus qu’un cadre en aluminium.
La raison tient à la rigidité : l’aluminium se déforme davantage que l’acier sous une même force. Pour obtenir un cadre aussi rigide, le constructeur emploie des tubes de plus gros diamètre et de paroi plus épaisse, donc davantage de matière. L’écart final se réduit à un rapport de l’ordre de un et demi.
Retiens la leçon générale : une propriété seule ne décide pas d’un choix. Il faut la rapporter à la forme donnée à la pièce et aux efforts qu’elle subit, question étudiée dans le cours consacré aux ouvrages.
Troisième cas : la casserole
L’objet paraît banal ; son cahier des charges est pourtant serré. Le fond doit répartir la chaleur uniformément, sans quoi les aliments attachent au centre. La paroi ne doit réagir ni avec le vinaigre ni avec le sel. L’ensemble doit supporter des milliers de lavages, résister aux chocs, et rester abordable.
Le cuivre conduit la chaleur mieux que tout autre métal courant : environ quatre cents watts par mètre et par kelvin, contre quinze pour l’acier inoxydable. Une casserole en cuivre chauffe donc de façon remarquablement régulière. Mais le cuivre réagit avec certains aliments acides, et il coûte cher. L’acier inoxydable, lui, se moque du vinaigre et du lave-vaisselle, mais conduit très mal : le fond développerait un point chaud au centre.
Retourne une bonne casserole et observe son fond : il est nettement plus épais que les parois. Ce fond est un empilement de plusieurs couches, comme un sandwich : une âme d’aluminium ou de cuivre, prise entre deux feuilles d’acier inoxydable.
Chaque matériau y occupe le poste où il excelle. L’âme conduit la chaleur et l’étale sur toute la surface. L’acier extérieur assure la résistance et le contact alimentaire neutre. Sur les modèles compatibles avec les plaques à induction, une couche d’acier magnétique est ajoutée dessous, car l’induction ne chauffe que les métaux qu’un aimant attire.
C’est la même idée que celle des composites du chapitre 2 : lorsqu’un matériau unique laisse une exigence sans réponse, associer plusieurs matériaux dans une même pièce devient la solution.
Les cuisiniers professionnels emploient encore des casseroles en cuivre, mais leur intérieur est recouvert d’une mince couche d’étain ou d’acier inoxydable. Cette doublure sépare le cuivre des aliments et résout le problème chimique, sans renoncer à la conduction exceptionnelle du métal rouge.
Autrefois, cette doublure d’étain devait être refaite périodiquement par un artisan, l’étameur, qui passait de cuisine en cuisine. Le métier a presque disparu ; il subsiste auprès des restaurants et des collectionneurs.
La méthode, en cinq questions
Face à un choix de matériau, l’ordre suivant conduit à une décision défendable.
| Question | Ce qu’elle permet d’éliminer | |
|---|---|---|
| 1 | Quels efforts la pièce subit-elle ? | Les matériaux trop faibles pour l’usage visé |
| 2 | Dans quel milieu vivra-t-elle ? | Ceux que l’humidité, la chaleur ou les produits chimiques attaqueraient |
| 3 | Combien d’exemplaires seront produits ? | Ceux dont la mise en forme coûte trop cher pour la série envisagée |
| 4 | Quel budget par pièce ? | Ceux dont le prix dépasse la cible |
| 5 | Que deviendra la pièce après usage ? | Ceux dont la fin de vie pose un problème non résolu |
Applique-les à un objet que tu connais bien, une trottinette ou un cartable, et tu retrouveras les raisonnements des ingénieurs qui les ont conçus.
Nous sommes partis d’une roche et d’un tronc d’arbre. Nous avons rangé les matériaux en quatre familles, appris à mesurer ce qu’ils savent faire, suivi le chemin qui les tire du sol, examiné ce qu’ils deviennent après usage, et enfin compris comment les choisir.
Une idée traverse ces six chapitres : derrière chaque objet se cache une décision. Quelqu’un a pesé des exigences contradictoires et tranché. Savoir lire cette décision dans les objets qui t’entourent, c’est comprendre la technologie.
- Le cahier des charges énonce les exigences avant de désigner une solution.
- Ces exigences se contredisent : alléger, renforcer, durer, coûter peu et se recycler ne vont pas ensemble. Choisir, c’est hiérarchiser.
- La canette a maigri de cinquante grammes à treize grammes en quelques décennies, parce que le gain de matière se multiplie par des milliards d’unités.
- Une propriété isolée ne décide de rien : la masse volumique de l’acier vaut trois fois celle de l’aluminium, mais un cadre en acier ne pèse pas trois fois plus.
- Lorsqu’un seul matériau ne suffit pas, en associer plusieurs dans une même pièce résout parfois le problème : c’est le principe du fond sandwich et celui des composites.
Douze questions. Une seule bonne réponse par question. Le corrigé suit.
1. Une matière première devient un matériau lorsqu’elle :
- a. est extraite du sol
- b. est vendue à une usine
- c. est transformée en vue d’un usage
- d. est peinte
2. Un alliage est :
- a. un assemblage de fibres et de résine
- b. un métal auquel d’autres éléments ont été ajoutés
- c. un mélange de deux plastiques
- d. une roche contenant un métal
3. Parmi ces matériaux, lequel appartient à la famille des céramiques ?
- a. Le cuir
- b. Le laiton
- c. Le contreplaqué
- d. La porcelaine
4. La ductilité d’un métal désigne sa capacité à :
- a. conduire le courant électrique
- b. se déformer sans se rompre
- c. résister à la rayure
- d. résister à la rouille
5. Le verre ne possède pas de température de fusion nette parce que :
- a. il est transparent
- b. il contient du métal
- c. sa matière est figée en désordre
- d. il est trop dur
6. Sur l’échelle de Mohs, un minéral noté 7 :
- a. raye le verre à vitre
- b. se raye à l’ongle
- c. fond à 700 °C
- d. conduit la chaleur
7. La dureté et la ténacité :
- a. désignent la même propriété
- b. se mesurent en watts
- c. concernent uniquement les métaux
- d. sont deux propriétés distinctes
8. Dans un haut fourneau, le coke remplace le charbon parce qu’il :
- a. coûte moins cher
- b. reste solide et poreux à haute température
- c. contient du fer
- d. ne brûle pas
9. Ce qui distingue la fonte de l’acier, c’est :
- a. la couleur du métal
- b. la présence de chrome
- c. la proportion de carbone
- d. la masse volumique
10. Produire de l’aluminium exige beaucoup d’électricité parce que :
- a. la bauxite se trouve très loin
- b. l’aluminium fond à température élevée
- c. le lien entre l’aluminium et l’oxygène est difficile à rompre
- d. les usines fonctionnent la nuit
11. Le décyclage désigne :
- a. un recyclage vers un usage moins exigeant
- b. l’enfouissement d’un déchet
- c. l’incinération avec récupération de chaleur
- d. un recyclage qui a échoué
12. Le cahier des charges d’un produit :
- a. désigne le matériau à employer
- b. fixe le prix de vente au public
- c. énonce les exigences que le produit doit satisfaire
- d. décrit la chaîne de fabrication
Corrigé du quiz
1. c - La transformation en vue d’un usage fait passer de la matière au matériau. L’extraction seule ne suffit pas.
2. b - Un alliage reste un matériau métallique : un métal principal auquel d’autres éléments ont été ajoutés volontairement.
3. d - La porcelaine est une céramique. Le cuir est organique, le laiton métallique, le contreplaqué composite.
4. b - La ductilité est l’aptitude à s’étirer et à se plier sans casser. Elle permet le laminage, le tréfilage et l’emboutissage.
5. c - Le verre est un solide amorphe : ses atomes sont figés en désordre, ce qui lui vaut de ramollir progressivement.
6. a - Le verre à vitre se situe vers 5,5 sur l’échelle. Un minéral noté 7, comme le quartz, le raye donc.
7. d - La dureté résiste à la rayure, la ténacité au choc. Le diamant illustre l’écart entre les deux.
8. b - Le charbon se ramollit à la chaleur et bouche le four. Le coke garde ses pores ouverts et laisse circuler l’air.
9. c - La fonte dépasse deux pour cent de carbone, l’acier reste en dessous. Cet écart change tout leur comportement.
10. c - Le lien chimique entre l’aluminium et l’oxygène résiste à la réduction par le carbone : il faut un courant électrique intense.
11. a - Le décyclage est un recyclage réel, mais à sens unique : la matière descend vers des emplois moins exigeants.
12. c - Le cahier des charges énonce un résultat attendu. Il laisse ouverte la question des moyens d’y parvenir.
Ces quatre exercices demandent un raisonnement construit, non une réponse en un mot. Rédige des phrases complètes.
Exercice 1. Une commune du bord de mer doit remplacer les poteaux qui portent ses panneaux de signalisation. Deux propositions lui parviennent : acier galvanisé ou aluminium. Rédige trois arguments en faveur de chacune, puis indique la question qu’il faudrait poser à la commune avant de trancher.
Exercice 2. L’acier inoxydable est un excellent matériau de cuisine, et pourtant une casserole faite d’acier inoxydable seul cuirait mal. Explique cette apparente contradiction, puis décris la solution retenue par les fabricants.
Exercice 3. Un matériau composite est plus performant que chacun des matériaux qui le composent, et il se recycle plus difficilement que chacun d’eux. Montre que ces deux affirmations découlent de la même cause.
Exercice 4. Une opinion répandue affirme : « le plastique est un mauvais matériau ». En t’appuyant sur la méthode du chapitre 6, explique pourquoi cette phrase ne peut recevoir ni un oui ni un non, et reformule-la en une question à laquelle un ingénieur saurait répondre.
Éléments de correction
Exercice 1. En faveur de l’acier galvanisé : prix d’achat plus bas, résistance mécanique supérieure à section égale, réparation par soudure possible sur place. En faveur de l’aluminium : tenue au sel marin grâce à la couche d’oxyde qu’il forme, poids réduit facilitant la pose, recyclage en boucle fermée en fin de vie. La question à poser porte sur la hiérarchie des exigences : la commune privilégie-t-elle le coût d’achat immédiat ou la durée de vie sans entretien ? La réponse détermine le choix, car chacune des deux solutions cède du terrain à l’autre sur une partie des critères.
Exercice 2. Les qualités de l’acier inoxydable sont chimiques et mécaniques : il ne réagit pas avec les aliments, ne rouille pas, supporte les lavages et les chocs. Sa conductivité thermique est en revanche très faible, environ quinze watts par mètre et par kelvin, contre quatre cents pour le cuivre. La chaleur resterait concentrée sous la flamme au lieu de se répartir, et les aliments attacheraient au centre. Les fabricants assemblent donc un fond en plusieurs couches : une âme conductrice en aluminium ou en cuivre, prise entre deux feuilles d’acier inoxydable. Chaque matériau occupe le poste où il excelle.
Exercice 3. La performance d’un composite vient de l’union intime du renfort et de la matrice : les fibres reprennent les efforts, la résine les maintient en place et transmet les charges de l’une à l’autre. Cette union doit résister à tout ce que la pièce subira, faute de quoi le composite se délaminerait. Recycler suppose l’opération inverse : séparer les fibres de la résine. La cause est donc unique : ce qui rend le matériau performant est ce qui le rend difficile à défaire.
Exercice 4. La phrase ne reçoit pas de réponse parce qu’elle juge un matériau sans préciser l’usage, les exigences ni les solutions concurrentes. Le chapitre 6 rappelle qu’un matériau ne vaut que rapporté à un cahier des charges. Le plastique excelle pour une seringue à usage unique, qui doit être stérile, transparente et jetable ; il convient mal pour une poutre de charpente ou un manche de casserole posé sur une flamme. Une reformulation acceptable : « pour tel objet, dans tel usage et avec telles exigences de fin de vie, le plastique est-il le meilleur choix face à ses concurrents ? »
Les mots de ce cours, rangés par ordre alphabétique.
Sources principales consultées (vérification effectuée avant rédaction) :
- Encyclopaedia Universalis, notices Charles Martin Hall et aluminium ; Wikipédia francophone, articles Bauxite, Acier inoxydable, Haut fourneau, Bakélite, Échelle de Mohs, Boue rouge.
- Institut pour l’histoire de l’aluminium ; Aluminium France ; The Electrochemical Society, article de T. R. Beck sur Hall et Héroult.
- National Park Service et National Archives des États-Unis, dossiers sur le sommet du Washington Monument ; Metallography, Microstructure and Analysis, notice sur la pièce coulée de 1884.
- Citeo, chiffres du recyclage des emballages ménagers, estimation de décembre 2025 portant sur l’année 2024.
- Actu-Environnement, L’Usine Nouvelle et Parc national des Calanques, dossiers sur les résidus de bauxite de Gardanne.
- E. D. Zanotto, American Journal of Physics, 1998, sur l’écoulement supposé du verre des vitraux.
Fin du cours 16 - Technologie, classe de 5e - Usage familial et pédagogique